TCP/IP详解UDP用户数据报协议

Posted 2021-04-25 JustDoIT2CSA

       

 UDP是一个简单的面向数据报的运输层协议：进程的每个输出操作都正好产生一个UDP数据报，并组成一份待发送的IP数据报。UDP提供了不可靠性：它把应用程序传给IP层的数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。

【UDP首部】

1. 端口号表示发送进程和接收进程。TCP端口号和UDP端口号是独立的。

2. UDP长度字段指的是UDP首部和UDP数据的字节长度。该字段的最小值为8字节（发送一份0字节的UDP数据报是OK）。这个有冗余的。

3. IP数据报长度指的是数据报全长，= 全长 – IP首部的长度。【UDP检验和】

         UDP检验和覆盖UDP首部和UDP数据，UDP和TCP在首部中都覆盖它们首部和数据的检验和。UDP的检验和是可选的，而TCP的检验和是必需的。

         UDP的检验和计算方法与IP首部检验和略有不同，UDP的数据报长度可以为奇数字节，但是检验和算法是把若干个16个bit字相加，因此解决方法必要时在最后增加填充字节0，这只是为了检验和的计算。另外，UDP和TCP数据报中都包含一个12字节长的伪首部，其中包含IP首部一些字段，其目的是让UDP 2 次检查数据是否已经正确到达目的地。

         UDP检验和是一个端到端的检验和。由发送端计算，然后由接收端验证。其目的是为了发现UDP首部和数据在发送端到接收端之间发生的任何改动。

～～～～～～～～【科普小课堂】～～～～～～～

         TCP发生检验和差错的比例与UDP相比要高得多。很有可能是因为在该系统中的TCP 连接经常是“远程”连接（经过许多路由器和网桥等中间设备），而UDP一般为本地通信。

          不要完全相信数据链路（如以太网、令牌环等）的CRC检验。应该始终打开端到端的检验和功能。而且，如果数据很有价值，也不要完全相信UDP或TCP的检验和，因为这些都只是简单的检验和，不能检测出所有可能发生的错误。

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【IP分片】

         把一份IP数据报分片以后，只有到达目的地才进行重新组装（与其他协议不同，其他协议要求在下一站就进行重新组装）。重新组装由目的端的IP层完成，其目的是使分片和重新组装过程对运输层（TCP和UDP）是透明的，除了某些可能的越级操作外。已经分片过的数据报有可能再次进行分片（可能不止一次）。IP首部中包含的数据为分片和重新组装提供了足够的信息。

         当IP数据报被分片后，每一片都成为一个分组，具有自己的IP首部，并在选择路由时与其他分组独立。这样，当数据报的这些片到达目的端时有可能会失序，但是在IP首部中有足够的信息让接收端能正确组装这些数据报片。

～～～～～～～【科普小课堂】～～～～～～～

IP分片缺点：即使只丢失一片数据也要重传整个数据报，Why？？？

         因为IP层本身没有超时重传的机制—由更高层来负责超时和重传（TCP有超时和重传机制，但UDP没有。一些UDP应用程序本身也执行超时和重传）。当来自TCP报文段的某一片丢失后，TCP在超时后会重发整个TCP报文段，该报文段对应于一份IP数据包。没有办法只重传数据报中的一个数据报片。事实上，如果对数据报分片的是中间路由器，而不是起始端系统，那么起始端系统就无法再换掉数据报是如何被分片的。就这个原因，经常要避免分片。

【常见术语】

1. IP数据报：指IP层端到端的传输单元（在分片之前和重新组装之后）

2. 分组：指在IP层和链路层之间传送的数据单元。一个分组可以是一个完整的IP数据报，也可以是IP数据报的一个分片。

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【ICMP不可达差错（需要分片）】

         发生ICMP 不可达差错的另一种情况是当路由器收到一份需要分片的数据报，而在IP首部又设置了不分片（DF）的标志比特。如果某个程序需要判断到达目的端路途中最小MTU是多少——称作路径MTU发现机制，报文格式如上图。

 【UDP和ARP之间的交互作用】

【最大UDP数据报长度】

          理论上，IP数据报的最大长度是65535字节，这是由IP首部16比特总长度字段所限制的。去除20个字节的IP首部和8个字节的UDP首部，UDP数据报中用户数据的最长长度为65507字节，大多数都 <  65507。两个限制因素：

         1. 应用程序可能会受到其程序接口的限制。Socket API提供了一个可供应用程序调用的函数，以设置接收和发送缓存的长度。现在大部分系统都默认提供了可读写> 8192字节的UDP数据报。

         2. 来自于TCP/IP的内核实现。可能存在一些实现特性（或差错），使IP数据报长度小于65535字节。要求主机必须能够接收最短为576字节的IP数据报。

【ICMP源站抑制差错】

          当一个系统（路由器或主机）接收数据报的速度比其处理速度快时，可能会产生这个差错。即使一个系统已经没有缓存并丢弃数据报，也不要求它一定要发送源站抑制报文。

～～～～～～～【UDP服务器设计】～～～～～～～

         典型的服务器与OS进行交互作用，而且大多数需要同时处理多个客户。通常一个客户启动后直接与单个服务器通信，然后就结束了。而对于服务器来说，它启动后处于休眠状态，等待客户请求的到来。对于UDP来说，当客户数据报到达时，服务器wakeup，数据报中可能包含来自客户的某种形式的请求信息。

【UDP输入队列】

        单个服务器进程对单个UDP端口上（服务器上的知名端口）的所有客户请求进行处理。通常程序所使用的每个UDP端口都与一个有限大小的输入队列相联系。其缺点：

 1. 应用程序并不知道其输入队列何时溢出。只是由UDP对超出数据报进行丢弃处理。

2. 没有发回任何信息告诉客户其数据报被丢弃。

3. UDP输出队列是FIFO（先进先出）的。

【每个端口有多个接收者】